Как решить систему дифференциальных уравнений? Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Как и в случае линейных уравнений высших порядков, наиболее полно разработаны вопросы нахождения фундаментальной системы решений для однородных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
(5.45)
или в матричной форме
y"=Ay. (5.45а)
Будем искать решение системы (5.45) в виде
y=αe rt = (α 1 , α 2 ,.., α n) T e rt = (α 1 e rt , α 2 e rt ,.., α n e rt) T (5.46)
Подставив это решение в (5.45), получаем равенство αre rt =Aαe rt , откуда, сокращая на e rt , можем записать αr = Aα или Aα-αr= Aα-Eαr = (A - rE)α =0. Последнее соотношение (A - rE)α =0 есть система для нахождения собственных чисел и собственных векторов матрицы A. Таким образом, y=αe rt - решение системы (5.45) тогда, когда r- собственное число, а α - ему соответствующий собственный вектор матрицы A. Возможны два случая: 1) все собственные числа различны; 2) есть кратные собственные числа. Разберём эти возможности по отдельности.
В первом случае имеем n решений

Эта система функций линейно независима, так как её определитель Вронского отличен от нуля. Действительно,


Так как система векторов α 1 , α 2 ,.., α n линейно независима, то получим n линейно независимых решений однородной системы линейных дифференциальных уравнений.
Во втором случае возможны два варианта. Пусть для собственного числа r j кратности k имеется k линейно независимых собственных векторов α j 1 , α j 2 ,.., α jk Этот вариант ничем не отличается от предыдущего случая. Во втором варианте для собственного числа r j кратности k имеется меньше чем k линейно независимых собственных векторов. Имеется два способа получения совокупности n линейно независимых решений однородной системы линейных дифференциальных уравнений. Первый основан на приведении матрицы к жордановой форме и изложен в . Второй называется методом Эйлера и заключается в том, что для собственного числа r j соответствующие решения находятся в виде y=P k -1 (t)e rjt где P k -1 (t) - вектор-функция, каждая координата которой есть полином степени не выше k-1 с неопределёнными коэффициентами, подлежащими определению. Подставляя это решение в (5.45), получаем соотношения для определения коэффициентов вектор-функции P k -1 (t).
Примеры
1. Для линейной системы дифференциальных уравнений матрица имеет собственные числа λ 1 =3 с соответствующим собственным вектором p 1 =(-1,1,3) T и λ 2,3 =-1 кратности 2 с собственными векторами p 2 =(1,1,0) T и p 3 =(2,0,-1) T . Поэтому фундаментальная система решений состоит из функций p 1 e 3 t , p 2 e - t , p 3 e - t , а общее решение имеет вид
.
2. Для системы дифференциальных уравнений матрица имеет собственные числа λ 1 =3 с соответствующим собственным вектором p 1 =(0,2,1) T и λ 2,3 =-1 кратности 2, которому соответствует только один собственный вектор p 2 = (-1,2,1) T . Поэтому линейно независимые решения, соответствующие собственному числу λ 2,3 =-1, ищем в виде
.
Подставляя эти соотношения в исходную систему и приводя подобные, получаем систему алгебраических уравнений

для нахождения чисел a,b,q,n,s,r. Решая эту систему, имеем b=-r,q=-2a, n=2r, s =r-a. Придавая свободным неизвестным значения a=C 2 , r=C 3 получаем общее решение исходной системы дифференциальных уравнений
.

Как решить систему дифференциальных уравнений?

Предполагается, что читатель уже неплохо умеет решать дифференциальные уравнения, в частности, однородные уравнения второго порядка и неоднородные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами. В системах дифференциальных уравнений нет ничего сложного, и если вы уверенно расправляетесь с вышеуказанными типами уравнений, то освоение систем не составит особого труда.

Существуют два основных типа систем дифференциальных уравнений:

– Линейные однородные системы дифференциальных уравнений
– Линейные неоднородные системы дифференциальных уравнений

И два основных способа решения системы дифференциальных уравнений:

– Метод исключения . Суть метода состоит в том, что в ходе решения система ДУ сводится к одному дифференциальному уравнению.

– С помощью характеристического уравнения (так называемый метод Эйлера).

В подавляющем большинстве случаев систему дифференциальных уравнений требуется решить первым способом. Второй способ в условиях задач встречается значительно реже, за всю мою практику я решил им от силы 10-20 систем. Но и его тоже коротко рассмотрим в последнем параграфе данной статьи.

Сразу прошу прощения за теоретическую неполноту материала, но зато я включил в урок только те задания, которые реально могут встретиться на практике. То, что выпадает метеоритным дождем раз в пятилетку, вы вряд ли здесь найдете, и с такими нежданчиками следует обратиться к специализированным кирпичам по диффурам.

Линейные однородные системы дифференциальных уравнений

Простейшая однородная система дифференциальных уравнений имеет следующий вид:

Собственно, почти все практические примеры такой системой и ограничиваются =)

Что тут есть?

– это числа (числовые коэффициенты). Самые обычные числа. В частности, один, несколько или даже все коэффициенты могут быть нулевыми. Но такие подарки подкидывают редко, поэтому числа чаще всего не равны нулю.

И – это неизвестные функции. В качестве независимой переменной выступает переменная – это «как бы икс в обычном дифференциальном уравнении».

И – первые производные неизвестных функций и соответственно.

Что значит решить систему дифференциальных уравнений?

Это значит, найти такие функции и , которые удовлетворяют и первому и второму уравнению системы. Как видите, принцип очень похож на обычные системы линейных уравнений . Только там корнями являются числа, а здесь – функции.

Найденный ответ записывают в виде общего решения системы дифференциальных уравнений :

В фигурных скобках! Эти функции находятся «в одной упряжке».

Для системы ДУ можно решить задачу Коши, то есть, найти частное решение системы , удовлетворяющее заданным начальным условиям. Частное решение системы тоже записывают с фигурными скобками.

Более компактно систему можно переписать так:

Но в ходу традиционно более распространен вариант решения с производными, расписанными в дифференциалах, поэтому, пожалуйста, сразу привыкайте к следующим обозначениям:
и – производные первого порядка;
и – производные второго порядка.

Пример 1

Решить задачу Коши для системы дифференциальных уравнений с начальными условиями , .

Решение: В задачах чаще всего система встречается с начальными условиями, поэтому почти все примеры данного урока будут с задачей Коши. Но это не важно, поскольку общее решение по ходу дела все равно придется найти.

Решим систему методом исключения . Напоминаю, что суть метода – свести систему к одному дифференциальному уравнению. А уж дифференциальные уравнения, надеюсь, вы решаете хорошо.

Алгоритм решения стандартен:

1) Берем второе уравнение системы и выражаем из него :

Данное уравнение нам потребуется ближе к концу решения, и я помечу его звёздочкой. В учебниках, бывает, натыкают 500 обозначений, а потом ссылаются: «по формуле (253)…», и ищи эту формулу где-нибудь через 50 страниц сзади. Я же ограничусь одной единственной пометкой (*).

2) Дифференцируем по обе части полученного уравнения :

Со «штрихами» процесс выглядит так:

Важно, чтобы этот простой момент был понятен, далее я не буду на нём останавливаться.

3) Подставим и в первое уравнение системы :

И проведём максимальные упрощения:

Получено самое что ни на есть обычное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Со «штрихами» оно записывается так: .

– получены различные действительные корни, поэтому:
.

Одна из функций найдена, пол пути позади.

Да, обратите внимание, что у нас получилось характеристическое уравнение с «хорошим» дискриминантом, а значит, мы ничего не напутали в подстановке и упрощениях.

4) Идём за функцией . Для этого берём уже найденную функцию и находим её производную. Дифференцируем по :

Подставим и в уравнение (*):

Или короче:

5) Обе функции найдены, запишем общее решение системы:

Ответ: частное решение:

Полученный ответ достаточно легко проверить, проверку осуществим в три шага:

1) Проверяем, действительно ли выполняются начальные условия , :

Оба начальных условия выполняются.

2) Проверим, удовлетворяет ли найденный ответ первому уравнению системы .

Берём из ответа функцию и находим её производную:

Подставим , и в первое уравнение системы:

Получено верное равенство, значит, найденный ответ удовлетворяет первому уравнению системы.

3) Проверим, удовлетворяет ли ответ второму уравнению системы

Берём из ответа функцию и находим её производную:

Подставим , и во второе уравнение системы:

Получено верное равенство, значит, найденный ответ удовлетворяет второму уравнению системы.

Проверка завершена. Что проверено? Проверено выполнение начальных условий. И, самое главное, показан тот факт, что найденное частное решение удовлетворяет каждому уравнению исходной системы .

Аналогично можно проверить и общее решение , проверка будет даже еще короче, так как не надо проверять выполнение начальных условий.

Теперь вернемся к прорешанной системе и зададимся парой вопросов. Решение начиналось так: мы взяли второе уравнение системы и выразили из него . А можно ли было выразить не «икс», а «игрек»? Если мы выразим , то это нам ничего не даст – в данном выражении справа есть и «игрек» и «икс», поэтому нам не удастся избавиться от переменной и свести решение системы к решению одного дифференциального уравнения.

Вопрос второй. Можно ли было начать решение не со второго, а с первого уравнения системы? Можно. Смотрим на первое уравнение системы: . В нём у нас два «икса» и один «игрек», поэтому необходимо выразить строго «игрек» через «иксы»: . Далее находится первая производная: . Потом следует подставить и во второе уравнение системы. Решение будет полностью равноценным, с тем отличием, что сначала мы найдем функцию , а затем .

И как раз на второй способ будет пример для самостоятельного решения:

Пример 2

Найти частное решение системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее заданным начальным условиям.

В образце решения, который приведен в конце урока, из первого уравнения выражен и вся пляска начинается от этого выражения. Попытайтесь самостоятельно по пунктам провести зеркальное решение, не заглядывая в образец.

Можно пойти и путём Примера №1 – из второго уравнения выразить (заметьте, что выразить следует именно «икс»). Но этот способ менее рационален, по той причине, что у нас получилась дробь, что не совсем удобно.

Линейные неоднородные системы дифференциальных уравнений

Практически то же самое, только решение будет несколько длиннее.

Неоднородная система дифференциальных уравнений, которая в большинстве случаев может встретиться вам в задачах, имеет следующий вид:

По сравнению с однородной системой в каждом уравнении дополнительно добавляется некоторая функция, зависящая от «тэ». Функции могут быть константами (причем, по крайне мере одна из них не равна нулю), экспонентами, синусами, косинусами и т.д.

Пример 3

Найти частное решение системы линейных ДУ, соответствующее заданным начальным условиям

Решение: Дана линейная неоднородная система дифференциальных уравнений, в качестве «добавок» выступают константы. Используем метод исключения , при этом сам алгоритм решения полностью сохраняется. Для разнообразия я начну как раз с первого уравнения.

1) Из первого уравнения системы выражаем:

Это важная штуковина, поэтому я её снова замаркирую звёздочкой. Скобки лучше не раскрывать, зачем лишние дроби?

И еще раз заметьте, что из первого уравнения выражается именно «игрек» – через два «икса» и константу.

2) Дифференцируем по обе части:

Константа (тройка) исчезла, ввиду того, что производная константы равна нулю.

3) Подставим и во второе уравнение системы :

Сразу после подстановки целесообразно избавиться от дробей, для этого каждую часть уравнения умножаем на 5:

Теперь проводим упрощения:

В результате получено линейное неоднородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Вот, по сути, и всё отличие от решения однородной системы уравнений, разобранного в предыдущем параграфе.

Примечание: Тем не менее, в неоднородной системе иногда может получиться и однородное уравнение .

Найдем общее решение соответствующего однородного уравнения:

Составим и решим характеристическое уравнение:

– получены сопряженные комплексные корни, поэтому:
.

Корни характеристического уравнения опять получились «хорошими», значит, мы на верном пути.

Частное решение неоднородного уравнения ищем в виде .
Найдем первую и вторую производную:

Подставим в левую часть неоднородного уравнения:

Таким образом:

Следует отметить, что частное решение легко подбирается устно, и вполне допустимо вместо длинных выкладок написать: «Очевидно, что частное решение неоднородного уравнения: ».

В результате:

4) Ищем функцию . Сначала находим производную от уже найденной функции :

Не особо приятно, но подобные производные в диффурах приходится находить часто.

Шторм в самом разгаре, и сейчас будет девятый вал. Привяжите себя канатом к палубе.

Подставим
и в уравнение (*):

5) Общее решение системы:

6) Найдем частное решение, соответствующее начальным условиям :

Окончательно, частное решение:

Вот видите, какая история со счастливым концом, теперь можно безбоязненно плавать на шлюпках по безмятежному морю под ласковым солнцем.

Ответ: частное решение:

Кстати, если начать решать эту систему со второго уравнения, то вычисления получатся заметно проще (можете попробовать), но многие посетители сайта просили разбирать и более трудные вещи. Как тут откажешь? =) Пусть будут и более серьезные примеры.

Пример проще для самостоятельного решения:

Пример 4

Найти частное решение линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений, соответствующее заданным начальным условиям

Данная задача решена мной по образцу Примера №1, то есть, из второго уравнения выражен «икс». Решение и ответ в конце урока.

В рассмотренных примерах я не случайно использовал различные обозначения, применял разные пути решения. Так, например, производные в одном и том же задании записывались тремя способами: . В высшей математике не нужно бояться всяких закорючек, главное, понимать алгоритм решения.

Метод характеристического уравнения (метод Эйлера)

Как уже отмечалось в начале статьи, с помощью характеристического уравнения систему дифференциальных уравнений требуют решить довольно редко, поэтому в заключительном параграфе я рассмотрю всего лишь один пример.

Пример 5

Дана линейная однородная система дифференциальных уравнений

Найти общее решение системы уравнений с помощью характеристического уравнения

Решение: Смотрим на систему уравнений и составляем определитель второго порядка:

По какому принципу составлен определитель, думаю, всем видно.

Составим характеристическое уравнение, для этого из каждого числа, которое располагается на главной диагонали , вычитаем некоторый параметр :

На чистовике, естественно, сразу следует записать характеристическое уравнение, я объясняю подробно, по шагам, чтобы было понятно, что откуда взялось.

Раскрываем определитель:

И находим корни квадратного уравнения:

Если характеристическое уравнение имеет два различных действительных корня , то общее решение системы дифференциальных уравнений имеет вид:

Коэффициенты в показателях экспонент нам уже известны, осталось найти коэффициенты

1) Рассмотрим корень и подставим его в характеристическое уравнение:

(эти два определителя на чистовике тоже можно не записывать, а сразу устно составить нижеприведенную систему)

Из чисел определителя составим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:

Из обоих уравнений следует одно и то же равенство:

Теперь нужно подобрать наименьшее значение , такое, чтобы значение было целым. Очевидно, что следует задать . А если , то

Лекция 23.

Определение 23.1. Система дифференциальных уравнений называется линейной , если она линейна относительно всех неизвестных функций и их производных.

В частности, система линейных уравнений первого порядка с постоянными коэффициентами имеет вид:

Можно использовать матричную запись такой системы, если ввести матрицы

. Тогда системе (23.1) эквивалентно матричное уравнение . (23.2)

Если же рассмотреть линейный оператор , уравнение (23.2) примет вид:

Так как оператор L обладает свойствами линейности:

1) L [cX ] = cL [X ];

2) L [X 1 + X 2 ] = L [X 1 ] + L [X 2 ],

то для решений линейной однородной системы (23.3) (при F = 0) справедливы те же свойства: если Х 1 и Х 2 – решения однородного уравнения (23.3) , то и их линейная комбинация будет решением того же уравнения.

Можно ввести понятие линейной зависимости решений Х 1 , Х 2 ,…, Х п :

Определение 23.2. Векторы (столбцы) Х 1 , Х 2 ,…, Х п , где

, называются линейно зависимыми при , если существуют числа α 1 ,α 2 ,…, α п , не все равные нулю, что

α 1 Х 1 + α 2 Х 2 +…+ α п Х п ≡ 0 (23.4)

при . Если же тождество (23.4) справедливо только при всех α i = 0, векторы называются линейно независимыми .

Замечание. Назовем определителем Вронского для уравнения (23.4) определитель вида

, (23.5)

являющийся определителем системы уравнений, получаемых при координатной записи равенства (23.4). Можно показать, что так же, как и в случае решения линейного однородного уравнения, при W = 0 решения Х 1 , Х 2 ,…, Х п линейно зависимы на [a,b ]. Тогда справедлива следующая теорема:

Теорема 23.1. Линейная комбинация п линейно независимых решений линейной однородной системы является общим решением этой системы.

Будем искать фундаментальную систему решений линейной однородной системы с постоянными коэффициентами

(23.6)

в виде: , (23.7)

где α i – постоянные. Подставив (23.7) в (23.6) и сократив на e kt , получим:

. (23.8)

Для того, чтобы эта система имела ненулевое решение, необходимо и достаточно, чтобы ее главный определитель был равен нулю:

, (23.9)

что представляет собой уравнение п – й степени относительно k , называемое характеристическим .

Если все корни характеристического уравнения различны, то, подставляя их последовательно в систему (23.8), можно найти соответствующие им значения и тем самым п различных решений системы (23.6). Эти решения линейно независимы. Действительно, если бы существовали числа β 1 , β 2 ,…, β п такие, что

, то в силу линейной независимости функций отсюда следовало бы, что для каждого i. Но поскольку хотя бы одно из не равно нулю, получаем, что все . Следовательно, найденные решения (23.7) линейно независимы, и общее решение системы имеет вид: , (23.10)

где c i – произвольные постоянные.

Составим характеристическое уравнение:

k 1 = 1, k 2 =5. Для k = 1 получаем систему для определения : , то есть

Примем , тогда . При k = 5 ,

Тогда . Следовательно, общее решение системы имеет вид: .

В случае кратных корней характеристического уравнения решение системы (23.6) имеет вид

Где γ – кратность корня k s .

Характеристическое уравнение имеет вид:

k 1 = k 2 = 3. Пусть x = (c 1 + c 2 t )e 3 t , y = (c 3 + c 4 t )e 3 t . Выразим постоянные с 3 и с 4 через с 1 и с 2 . Для этого подставим найденные решения в одно из уравнений системы и приравняем коэффициенты при e 3 t и te 3 t : (3c 1 + c 2 + 3c 2 t )e 3 t = (2c 1 + c 3 )e 3 t + (2c 2 + c 4 )te 3 t , c 3 = c 1 + c 2 ,

c 4 = c 2 . Итак, общее решение системы получено в форме: x = (c 1 + c 2 t )e 3 t , y = (c 1 + с 2 + c 2 t )e 3 t .

Замечание. Для неоднородной системы (23.1) общим решением, так же как для неоднородного уравнения, будет сумма общего решения соответствующей однородной системы и частного решения неоднородной системы. При подборе частных решений справедлив принцип суперпозиции.

. Найдем частное решение в виде: . При подстановке получим: , откуда А = 3, В = 1. Прибавив к полученному частному решению общее решение соответствующей однородной системы, запишем общее решение исходной системы: x = c 1 e t + 2c 2 e 4 t + 3e 5 t , y = -c 1 e t + c 2 e 4 t + e 5 t .

Лекция 24.

Устойчивость решений дифференциальных уравнений и их систем. Определение устойчивости по Ляпунову и асимптотической устойчивости. Автономные системы дифференциальных уравнений. Фазовое пространство (плоскость), фазовая траектория. Точки покоя. Классификация точек покоя системы двух однородных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Условия устойчивости точки покоя.

Поскольку при решении реальных задач с помощью дифференциальных уравнений начальные условия обычно являются результатами измерений и, следовательно, получены с некоторой погрешностью, очень важным является вопрос о том, как изменится решение уравнения при малом изменении начальных условий. В частности, если такие изменения существенно меняют решение, то подобное решение, очевидно, не имеет практической ценности.

Пусть некоторое явление описывается системой дифференциальных уравнений

(24.1)

с начальными условиями y i (t 0 ) = y i 0 .

Определение 24.1. Решение φ i (t ) (ǐ = 1,2,…,n ) называется устойчивым по Ляпунову , если

Такое, что для всякого решения y i (t) той же системы, начальные условия которого удовлетворяют неравенствам , для всех справедливы неравенства (24.2)

(то есть близкие по значениям решения остаются близкими для всех ).

Если хотя бы для одного решения y i (t) неравенства (24.2) не выполняются, решение φ i (t ) называется неустойчивым .

Если решение φ i (t ) не только устойчиво по Ляпунову, но и удовлетворяет условию

(24.3)

при , то это решение называется асимптотически устойчивым .

Замечание. Одно условие (24.3) не обеспечивает устойчивость решения.

Фазовая плоскость.

Дифференциальное уравнение второго порядка

(24.4)

равносильно системе уравнений первого порядка

. (24.5)

Геометрически общее решение уравнения (24.4) или системы (24.5) можно представить семейством фазовых траекторий на фазовой плоскости . Особенно удобно такое представление в случае, когда функция не содержит явным образом независимого переменного t . Тогда система (24.5) имеет вид

(24.6)

и называется автономной системой . Фазовые траектории в этом случае удовлетворяют дифференциальному уравнению первого порядка

которое каждой точке ставит в соответствие наклон проходящей через нее интегральной кривой.

Точки покоя.

Определение 24.2. Точка фазовой плоскости системы (24.6) называется обыкновенной точкой , если и дифференцируемы и не обращаются одновременно в нуль; через каждую обыкновенную точку проходит одна фазовая траектория. Точка называется особой точкой , если и .

Замечание. Особые точки классифицируются по характеру фазовых траекторий в их окрестности.

Исследование на устойчивость некоторого решения системы (24.1) можно свести к исследованию тривиального решения – точки покоя , расположенной в начале координат, преобразуя систему к новым переменным: - отклонениям прежних неизвестных от решения, исследуемого на устойчивость. В новых переменных система (24.1) принимает вид:

Простейшие типы точек покоя.

Исследуем расположение траекторий в окрестности точки покоя х = 0, у = 0 системы двух линейных однородных уравнений с постоянными коэффициентами:

, где . (24.9)

Характеристическое уравнение при этом имеет вид:

Рассмотрим различные наборы корней этого уравнения:

1) k 1 и k 2 действительны и различны. Тогда общее решение системы (24.9) можно задать так: . При этом возможны следующие случаи:

а) если k 1 < 0 и k 2 < 0, то точка покоя асимптотически устойчива, так как , и все точки, находящиеся в начальный момент t = t 0 в любой δ – окрестности начала координат, при достаточно большом t переходят в точки, лежащие в сколь угодно малой ε – окрестности начала координат, а при стремятся к началу координат. Такая точка покоя называется устойчивым узлом .

Рассматриваются линейные системы нормального вида где а{- - любые числа, а /,(*) - известные функции. В векторной записи неизвестная, а /(*) - известная вектор-функции, А - любая постоянная матрица. Такие системы часто встречаются и в теории дифференциальных уравнений, и в приложениях. Общее решение такой системы в случае f(t) = 0 всегда выражается через элементарные функции. Поэтому такие системы часто применяются для исследования более сложных систем вблизи положения равновесия. В приложениях они появляются, например, при изучении движений в механических системах с несколькими степенями свободы и при описании токов в разветвленных электрических цепях. Путем исключения неизвестных систему можно свести к одному или нескольким уравнениям с одной неизвестной функцией в каждом. Для этого из какого-либо уравнения выражаем одно неизвестное через остальные и подставляем в остальные уравнения системы. Получаем систему с меньшим числом неизвестных. С ней можно поступить аналогично. Этот способ удобен для решения лишь несложных систем. Линейные системы с постоянными коэффициентами I Пример 20. Решить систему Решение примера. Исключаем у. Из первого уравнения имеем у = х" - t. Подставляя во второе уравнение, получаем. Решаем это уравнение методом § 11. Находим. Значит, 1 2. | Решение системы х" = Ах (х 6 Rn) в случае, когда матрица А порядка п имеет п линейно независимых собственных векторов. Так будет в случаях, когда или уравнение det (А-ХЕ) = 0 не имеет кратных корней А, или для каждого кратного корня Л ранг г матрицы А - \Е равен п - к, где к - кратность этого корня (так как уравнение (А - XE)v = 0 для собственных векторов v имеет п - г линейно независимых решений). Пусть А - собственное значение, a v - собственный вектор матрицы А. Тогда х = eMv - частное решение уравнения х1 = Аху так как. Если собственные векторы Vх,..., vn линейно независимы, то имеем решения. Они линейно независимы, так как их вронскиан W Ф 0 при t = 0 (его столбцы vl,..., vn линейно независимы). Следовательно, общее решение системы х* = Ах имеет вид - произвольные постоянные. Лемма 9. Если А{ = а + pi (fi Ф 0) - собственное значение вещественной матрицы A, a vl = (»{,... - собственный вектор для А1# то Aj = Х{ = а - pi - собственное значение, a v2 = v1 = (v},..., - собственный вектор для А2. Для вещественных Хр собственный вектор можно взять вещественным. Доказательство. Имеем Av{ = А^1. Равенство не нарушится, есдй в нем Х{ и координаты вектора v1 заменить сопряженными: Avl = Ajt;1, то есть Для вещественного Хр координаты собственного вектора определяются из системы и вещественными коэффициентами, поэтому вектор v можно взять вещественным Общее решение системы х" = Ах с вещественной матрицей А можно выразить через вещественные функции. Для этого надо взять такие собственные векторы, как в лемме 9, и затем заменить каждую пару комплексных сопряженных решений х1 = eAlV, х2 = eXltv2 парой вещественных решений как в. Получим вещественную фундаментальную систему решений и через нее выразим общее рёшение. I Пример 21. Решить систему Решение примера. Составляем и решаем характеристическое уравнение Линейные системы с постоянными коэффициентами Для находим собственный вектор (^j Можно взять Получаем частное решение Решениями данной системы являются вещественная и мнимая части этого частного решения: J Решение в общем случае. Упростим систему, приведя матрицу А к простейшей форме - жордановой. Известно, что для любой квадратной матрицы А существует такая неособая матрица С, что матрица В = С~[ АС - жорданова, то есть Клетки Ki могут быть любых размеров; в каждой клетке на всей диагонали стоит одно и то же число Af , а в разных клетках А(могут быть различны или одинаковы. Так как Поэтому матрицы С"1 АС и Л имеют одно и то же характеристическое уравнение, значит, одни и те же корни А^ с теми же кратностями. К системе ж" = Ах применяем линейное преобразование координат х = Су у то есть где матрица С та же, что выше. Получаем Умножая слева на С"1, имеем, то есть где матрица Б - жорданова. Если первая клетка имеет размер к х к, вторая - 1x1 и т.д., то в первые к уравнений системы у" = By входят только неизвестные у р..., у*, в следующие I уравнений - только неизвестные yt+1,..., ук+1, и т.д. Значит, система распадается на подсистемы, каждую из которых можно решать отдельно. Первая подсистема имеет вид (где А = Х{) Другие подсистемы отличаются только числами X и к. Сделав в замену, получаем Решая эту систему, начиная с последнего уравнения, находим Умножая на ex,t, получаем решение первой подсистемы Это решение - общее, так как получается из уравнений (73) с помощью тождественных преобразований. Решения других подсистем имеют подобный же вид, лишь числа к = к- и произвольные постоянные cf- будут другими (Лу - число А в j-ft клетке, к - ее размер). Собрав вместе решения всех подсистем, получаем общее решение всей системы у" = By. Возвращаясь от у к ж в силу (72) получаем такой результат. Теорема 16* Общее решение системы х" = Ах есть вектор-функция; у которой каждая координата xi имеет вид где Ар .., Ат - различные собственные значения матрицы А, - алгебраический многочлен, степень которого на 1 меньше размера наибольшей из жордановых клеток, содержащих А;. Коэффициенты многочленов ^(t) (» = 1,..., n; j = 1,..., m) зависят от n произвольных постоянных. Решение конкретной системы х" = Ах можно получить и без приведения матрицы А к жордановой форме. Для этого надо найти все собственные значения Л матрицы А из уравнения det (А - АЕ) - 0. Для каждого А надо найти число т линейно независимых собственных векторов по формуле т = п - г, где п - порядок матрицы А - ХЕ9 г - ее ранг. В случае т = ку где к - кратность корня А, этому корню соответствует решение где Ь!,...,Ь* - линейно независимые собственные векторы. Если матрица А - вещественная, то надо воспользоваться леммой 9 и сказанным после нее. В случае т надо искать решение х = (жр..., хп)Т в виде где 8 = к - пг. Подставляя эти выражения с буквенными коэффициентами а, Ь,... в данную систему, сокращая на е^ и приравнивая коэффициенты при подобных членах, получаем систему линейных алгебраических уравнений для отыскания чисел а, Ь,.... Надо найти общее решение этой системы, зависящее от к произвольных постоянных. (Заметим, что в случае к ^ 4 все старшие коэффициенты в многочленах иногда оказываются равными нулю, но это не мешает найти решение.) Проделав это для каждого А и сложив найденные решения, получим общее решение системы. Если матрица А вещественная, то достаточно проделать описанное только для вещественных корней и для одного из каждой пары комплексных сопряженных корней А = а ± pi {РФ 0), и от полученного решения взять вещественную и мнимую части. Например, из решения х1 = (cj +C2t)elt получаются два решения: u1 = Re хх - (cj + cjt) cos t и u2 = (C3 + cAt) sin t с новыми постоянными Cj,c4. (Обоснование такого метода требует детального анализа и изложено в , § 34.) I Пример 22. Решить систему Решение примера. Составляем и решаем характеристическое урав- нение Для простого корня А = -2 находим собственный вектор (а, р,7) Можно взять а = р = 2, 7 = -2. Имеем частное решение Для кратного корня Л2 3 = 1 находим ранг матрицы А - ХЕ, число m собственньЯТ векторов и степень в многочлена: Ищем решение в виде Подставляем это в данную систему и сокращаем на е*. Приравниваем коэффициенты при подобных членах, начиная со старших: Надо найти общее решение этой системы. Кратность корня Л = 1 равна 2, поэтому все неизвестные а,Ь,... должны выразиться через два из них (пока не знаем, через какие). Из первых трех уравнений имеем Ь = д = 2d. Подставляя в остальные уравнения, получаем Все неизвестные можно выразить через end. Имеем. Полагая d = Cj, с = Cj, получаем. Подставляя это в (77) и прибавляя частное решение (76), умноженное на су получаем общее решение системы: Линейные неоднородные системы с постоянными коэффициентами. Решение такой системы всегда можно получить методом вариации постоянных (п. 5 §9). При этом используется интегрирование. Однако в случае, когда неоднородности f{(t) в системе (70) выражаются только через суммы и произведения функций atm, е7*, cos/3*, sin fit, частное решение системы можно найти без интегрирования - методом неопределенных коэффициентов, как показывается ниже. Так как решение системы х" = Ах + fl(t) +... + fr(t) равно сумме решений систем (xj)" = Axj + fj(t) (j = 1,..., г), а синусы и косинусы по формулам Эйлера выражаются через показательные функции, то достаточно указать вид частного решения системы х" = Ах + рфе7*, где p(t) - amtm + am_xtm~x +... + а0; ао» »ат - векторы. Сделав с этой системой те же преобразования, что в п. 3 с системой х1 = Ах, получаем вместо (74) систему где р*(£) - многочлены степени не выше т. Из этой сибтемы последовательно находим zk, zk_v..., zx. Возможны два случая. Если 7 - А Ф 0, то Jpl(t)eb-»dt = q где ql(t) - многочлен той же степени, что Здесь и далее постоянные интегрирования полагаем равными нулю, так как ищется частное решение. Аналогично отыскиваются zk_v... ,z{. Получаем * где q*(t) - многочлены степени не выше т. Если же 7 - Л = 0, то £ 1, и каждый раз интегрируется только многочлен. От этого его степень повышается на 1. После к интегрирований степень повышается на к. Значит, в этом случае где q*(t) - многочлены степени не выше т + к. Возвращаясь от функций z- к у(и затем к х-, получаем, что система имеет частное решение вида где q^t) - многочлен степени не выше т, если 7 не совпадает ни с одним из корней и степени не выше m + fy, если 7 совпадает с корнем А^.; число к-, равно размеру наибольшей из жордановых клеток, содержащих А;. Следовательно, kj на 1 больше наибольшей степени многочленов, умножаемых на ех"г в общем решении однородной системы. I Пример 23. Решить систему I L Решение примера. Общее решение однородной системы получено в примере 21, здесь А. 2 = 2 ± i. Для неоднородностей 4еи cos* числа 7 = 2и7 = 2 +t различны, поэтому надо решить две системы Для системы (79) 7 = 2^ А;, поэтому частное решение. Подставляя в (79), находим a = Ь = с = 1, d = 0. Значит В системе (80) заменяем 4e2*cos$ на 4е*2+|^. Число 4 рассматриваем как многочлен степени 0. Так как 7 = 2 + i = А, к = 1, то степень многочлена увеличивается на 1 и Подставляя в систему с отброшенным Re получаем Уравнения зависимы, решений много. Берем частное решение, например Общее решение системы х = х0 + х{ + ж2, у = у0 + у! + у2* где ж0, у0 - решение однородной системы (пример 21), а х{, у, х2, у2 найдены здесь. Задачи для упражнений: Линейные системы с постоянными коэффициентами I Системы уравнений, не приведенные к нормальному виду обладают свойствами, отличными от свойств систем вида (70). Согласно , § 11 все решения являются линейными комбинациями решений вида х = r(t)ext, у = s(f)eM, где Л - любой корень характеристического уравнения - многочлены, степень которых меньше кратности к корня А (если Л=1,тоги* - числа), Многочлены могут быть найдены методом неопределенных коэффициентов. Аналогично решаются системы трех и более уравнений. См. задачи в , § 14, б» Известно много способов решения линейных систем с постоянными коэффициентами. Если известны не только числа А, но и базис, в котором матрица А имеет жорданову форму, то решение системы х" = Ах пишется в явном виде (, теорема 11; , § 14, п.З). Операционный метод решения линейных уравнений и систем с постоянными коэффициентами изложен в , §24. Известны условия существования периодического решения системы х1 = Ах 4- f{t) с периодической вектор-функцией f(t) (, гл. 4, §7, п.З).